Was steckt eigentlich in den E-Auto-Akkus?

Wir Auto-Nerds müssen umdenken. Wenn Du beeindrucken willst, bist Du mit dem Wissen um obenliegende Nockenwellen, Turbotechnik und Steuerketten auf dem Weg in eine Sackgasse oder demnächst beim Klassiker-Stammtisch unter Gleichgesinnten.

Statt über Ladeluftkühler, Einspritzdrücke und Trockensumpfschmierung müssen wir Auskenner uns bei der Elektromobilität über Nickel-Mangan-Kobalt-Akkus (NMC), über Lithium-Eisenphosphat-Stromspeicher (LFP) und die Vorteile von Silizium in Anoden oder die Nachteile von Kobalt in unseren Auto-Stromspeichern unterhalten. Klingt kompliziert, stimmt, das waren Zylinderköpfe mit zwei verstellbaren obenliegenden Nockenwellen und fünf Ventilen pro Brennraum aber auch.

Also stürzen wir uns in den Chemie-Baukasten der E-Mobilität und picken uns die Elemente raus, die wir kennen sollten, wenn wir unsere Auto-Akkus besser verstehen wollen.

Eine Frage der Rohstoffe, viele sind teuer und stammen aus problematischem Abbau

Immer wieder hören wir, wie teuer und selten die Rohstoffe sind, die in den Batterien stecken. Beispielsweise Kobalt. Bei diesem Rohmaterial handelt es sich um ein leitfähiges und vor allem seltenes Metall, das insbesondere in Zentralafrika – Experten gehen dort von 70 bis 90 Prozent der Weltvorkommen aus –, aber auch in Kanada, Australien, Russland und den USA vorkommt. Es wird im Pluspol der Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt und ist dort als Kobaltoxid die tragende Struktur, weil es Stabilität gibt, hochgradig leitfähig ist und eine große Energiedichte verspricht. Außerdem ist es sehr hitzebeständig und beugt damit einer Verformung der Akkus vor, wenn sie ge- oder entladen werden. 

Weil Kobalt so teuer ist und häufig, vor allem in Afrika, unter ethisch bedenklichen Umständen abgebaut wird, ist die Industrie seit Langem bestrebt, andere Materialien in der Kathode der Akkus einzusetzen. Nickel und Mangan bieten sich dafür an. Sie verdrängen Kobalt immer weiter, obwohl ihr Einsatz die Energiedichte in den Akkus etwas reduziert. Ein verschmerzbarer Nachteil angesichts der großen Kostenvorteile und besseren Verfügbarkeit, die die Substitute mit sich bringen.

Aktuell kommen vor allem die NMC-Akkus, die gängigste Variante der Lithium-Ionen-Speicher, in unseren Autos zum Einsatz. Riesige Fertigungsanlagen, besonders in China und Korea, sorgen für qualitativ hochwertige Batterien, die international von den Autoherstellern eingesetzt werden. CATL (32 Prozent), LG Energy Solution (21 Prozent), Panasonic (15 Prozent), BYD (7 Prozent) und Samsung SDI (5 Prozent) sind die weltweit größten Akkuproduzenten (Anteil an weltweiter Produktion in Klammern), die für drei Viertel des globalen Produktionsvolumens stehen und ihre Batterien stetig weiterentwickeln. 

Geforscht wird natürlich nicht nur in China und Südkorea, Europa ist dabei aufzuholen

Es sind aber nicht nur die großen asiatischen Unternehmen, die sich der Verbesserung der Akkus verschrieben haben, auch CustomCells gehört dazu. Der Mittelständler sitzt im schleswig-holsteinischen Itzehoe und gilt als eine der ersten Adressen, wenn Autohersteller spezielle Custom-Akkus nach ihren Wünschen aufbauen lassen. CustomCells arbeitet wiederum mit kleinen Spezialunternehmen wie OneD Battery Sciences, mit Sitz in Palo Alto, zusammen, nicht zuletzt, um die Preise für kommende Batteriegenerationen zu senken und die Leistungsfähigkeit zu steigern. Denn OneD setzt auf Anoden, denen Silizium beigemischt wird. Und Silizium ist sehr billig, verbessert aber gleichzeitig die Leistung der Akkus, erlaubt eine schnellere Ladung und höhere Energiedichte – ganz unabhängig davon, wie die übrige Batteriechemie aufgebaut ist. Es steckt eben noch viel Verbesserungspotenzial in den Li-Ion-Akkus, die bereits auf eine rund 30 Jahre währende Entwicklungsgeschichte zurückblicken. Erfunden wurden sie ursprünglich vor allem für den Einsatz in Kameras und Mobiltelefonen.

Billigere Akkus stehen ganz oben auf der Wunschliste der Autohersteller. Teilweise beschreiten sie dabei neue Wege, beispielsweise mit der LFP-Batteriechemie. Grundsätzlich handelt es sich dabei um eine weitere Spielart des Li-Ion-Akkus und ganz korrekt müsste man LiFePO4 schreiben, denn das Kürzel steht für Lithium-Eisenphosphat. Auch diese Chemie kommt seit wenigen Jahren im Auto zum Einsatz, zunächst in China, unter anderem im dort montierten Tesla Model 3. LFP-Akkus machen die Autos erschwinglich, denn die Rohmaterialien, aus denen sie bestehen, sind billig. Vor allem das Eisen, das zum Einsatz kommt, kostet nur einen Bruchteil der Inhaltsstoffe, die für die NMC-Batterien benötigt werden. 

Allerdings besitzt der LFP-Akku einige Nachteile. Zwei stechen besonders hervor: seine geringere Energiedichte und sein Kälteproblem. Denn der Wohlfühlbereich der LFP-Batterien ist sehr beschränkt: Frost mögen sie gar nicht, dann geben sie nur ungern Energie ab und lassen sich nur schlecht laden. Für dieses Problem haben die Entwickler eine clevere Lösung gefunden, sie lassen die Batterie sich selbst aufheizen. Dabei geht allerdings etwas Reichweite verloren, denn Strom, der zum Erwärmen benötigt wird, steht nicht für den Vortrieb zur Verfügung. Womit wir beim zweiten Nachteil wären, der geringeren Energiedichte. Pro Volumen können LFP-Akkus weniger Strom speichern als die NMC-Akkus. Professor Dr. Maximilian Fichtner, geschäftsführender Direktor des Helmholtz-Instituts Ulm: „Die Speicherkapazität aktueller LFP-Zellen liegt bei etwa 160 bis 180 Wattstunden pro Kilogramm, was schwächer ist als die der Zellen mit nickel- und kobalthaltigen Materialien. Diese liefern etwa 250 Wattstunden pro Kilogramm.“

Neue Bauformen sollen Akkus leistungsfähiger, dabei aber nicht größer machen

Aber auch dafür haben sich die Entwickler etwas einfallen lassen. Statt kleine Akkus in einer Vielzahl von Modulen zusammenzufassen, die letztlich zum großen Batteriepack zusammengeschaltet werden, greifen die Hersteller von LFP-Akkus auf die noch junge Bauform der Cell-to-Pack-Technologie zurück. Sie verbauen keine kleinen rund- oder taschenförmigen Pouch-Zellen, bei Cell-to-Pack wird auf große flächige Zellen gesetzt. Nur noch wenige von ihnen werden zusammengeschaltet und ergeben das Batteriepaket, und sie nutzen den Bauraum viel besser aus als die kleinteiligen herkömmlichen Li-Ion-Zellen. 

Bislang eignet sich für diese Bauform nur die LFP-Batteriechemie, weil sie wesentlich robuster ist als die NMC-Zelle, die thermisch relativ sensibel und damit auf eine sehr geregelte Kühlung angewiesen ist. In dieser Hinsicht ist die LFP-Zelle weniger anspruchsvoll. Sogar die Brandgefahr und damit das gefürchtete Durchgehen des gesamten Akkus, im Fachjargon thermal runaway genannt, sinken, auch bei Cell-to-Pack, trotz der großen Packungsdichte. 

Blicken wir in die Zukunft, stellt sich allerdings die Frage, ob die Cell-to-Pack-Akkus zu vernünftigen Kosten repariert werden können. Bei Akkupaketen, die sich aus einzelnen Modulen zusammensetzen, ist dies möglich. Sollte eine Autobatterie einen nennenswerten Teil ihrer Speicherkapazität verloren haben, etwa nach acht oder zehn Jahren im Betrieb, können die schwachen Module gegen neue gewechselt werden. Dadurch lässt sich die Einsatzzeit der Batterien stark verlängern. Dafür beginnt sich aktuell eine Infrastruktur zu entwickeln, die sich auf Akku-Reparaturen spezialisiert.

Ob das auch mit den großen Cell-to-Pack-Zellen möglich ist, können selbst Experten wie Professor Dr. Maximilian Fichtner noch nicht abschließend beurteilen: „Details über Cell-to-Pack-Batterien sind kaum bekannt und die Ausführungen der Hersteller sind zudem unterschiedlich.“ CATL, LG, BYD und weitere kleinere Akkuproduzenten entwickeln diese Technologie derzeit. Bis sich hier eine Reparaturindustrie herausgebildet hat, werden aber noch viele Jahre vergehen.

Dem Feststoffakku gehört die Zukunft – vielleicht

Möglich, dass sich bis dahin eine ganz andere Akkutechnologie durchgesetzt hat: die der Festkörperakkus. Die Technik, bei der ein keramischer, fester Separator den Energiefluss im Akku steuert und die beiden Pole voneinander isoliert, ist vielversprechend. QuantumScape ist eines der Unternehmen, das sich hier besonders stark engagiert. So kooperiert der Volkswagen-Konzern mit den US-Amerikanern und setzt auf die Vorteile höherer Energiedichte, besserer Sicherheit und großer Ladegeschwindigkeit. Bei der Entwicklung wurden zuletzt große Fortschritte erzielt: Über mehrere Monate durchliefen Feststoffzellen in den Batterielaboren der PowerCo in Salzgitter, dem Batterieunternehmen des Volkswagen-Konzerns, aufwendige Tests. Dabei wurden die Anforderungen deutlich übertroffen und mehr als 1.000 Ladezyklen erfolgreich absolviert. Das entspricht bei einem Elektroauto mit 500 bis 600 Kilometern WLTP-Reichweite einer Fahrleistung von mehr als 500.000 Kilometern. Gleichzeitig alterten die Zellen kaum und verfügten am Ende des Tests immer noch über 95 Prozent ihrer Kapazität. „Die Test-Ergebnisse machen deutlich, dass die anodenlosen Festkörper-Lithium-Metall-Zellen zu außergewöhnlichen Leistungen fähig sind“, sagt Jagdeep Singh, CEO von QuantumScape. „Wir haben zwar noch weitere Arbeit vor uns, um die Technologie zur Marktreife zu bringen, aber uns ist aktuell keine andere Lithium-Metall-Batterie im Automobilformat bekannt, die eine so hohe Zyklenfestigkeit über eine vergleichbare Zahl an Ladevorgängen unter ähnlichen Bedingungen gezeigt hat. Wir freuen uns, diese Technologie so schnell wie möglich auf den Markt zu bringen.“

Ein Serieneinsatz ist aber dennoch einige Jahre entfernt und die Feststoffakkus werden zunächst viel teurer sein als die aktuellen. Zum Einsatz kommen dürften die neuen Akkus daher im Volkswagen-Konzern zunächst in den Modellen von Bentley, Porsche und Audi.

Problematisch für den Start der neuen Feststoffakkus ist außerdem, dass sie ganz andere Produktionsanlagen benötigen als die Li-Ion-Akkus. Der Anreiz für CATL, LG und Co., in neue Anlagen zu investieren, ist aber gering, das spricht gegen ihren baldigen Erfolg. Und schließlich bietet auch die derzeitige Batteriechemie noch viel Raum für Entwicklungssprünge. 

Ein Beispiel ist der Shenxing genannte Akkutyp von CATL. Er basiert auf der günstigeren LFP-Technologie und ist nach Aussage des Herstellers die weltweit erste Superschnelllade-LFP-Batterie, die mit einer zehnminütigen Ladung eine Reichweite von 400 Kilometern und mit einer einzigen Vollladung eine Reichweite von über 700 Kilometern ermöglicht. Schon Ende 2023 startete CATL die Massenproduktion und zumindest in China stehen die Autohersteller Schlange, um diesen Batterietyp in ihre Modelle einbauen zu können. Nicht zuletzt, weil LFP-Akkus extrem zyklenfest sind. Oder anders gesagt, ihnen ist es beinahe egal, wie oft sie geladen und entladen werden, 5.000 Ladehübe verkraften sie problemlos. Damit sind, abhängig von der Akkugröße, Gesamtreichweiten von einer bis zwei Millionen Kilometer möglich, bevor der Akku mehr als 20 Prozent seiner Kapazität einbüßt.

Die Entwickler des Feststoffakkus müssen sich ganz schön strecken, um die Werte der Shenxing-LFP-Batterie zu erreichen. Und wir Auto-Nerds müssen uns umstellen, weil der wichtige Quartettwert „von null auf hundert“ heute nicht mehr in Sekunden gemessen wird und die Beschleunigung beschreibt, sondern in Minuten und uns sagt, wie schnell die Batterie Strom bunkert. Auch mit der E-Mobilität gehen uns die Gesprächsthemen also nicht aus. Nicht zuletzt, weil am Horizont so exotische Batterien wie die Natrium-Ionen-Zellen zu sehen sind. 

Auch mit in Deutschland verfügbaren Rohstoffen lassen sich Akkus bauen

In China sind Autos mit Natrium-Akku bereits in kleiner Stückzahl auf dem Markt, und für die deutsche Industrie wären sie eine interessante Möglichkeit, sich von der Nutzung teurer und nur im Ausland verfügbarer Rohstoffe abzukoppeln. Das nehmen zumindest die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) an. „Dank ihrer einzigartigen Eigenschaften lässt sich mit einer Natrium-Ionen-Batterie sozusagen der Reset-Knopf für die herkömmliche Denk- und Einsatzweise von Batterien drücken. Bei Natrium-Batterien können wir uns plötzlich einer einheimischen Rohstoffbasis bedienen, die unabhängig von strategischen, ja kritischen Importen ist. Auch die benötigte technologische Infrastruktur ist vorhanden. Das ist die Chance für Wertschöpfung in Deutschland“, sagt Professor Dr. Michael Stelter vom Fraunhofer IKTS. Natrium ist in Deutschland tatsächlich praktisch unbegrenzt und damit kostengünstig verfügbar, beispielsweise in Form von Natriumchlorid, besser bekannt als Kochsalz. In fünf Jahren könnte die Na-Ion-Batterie aus deutscher Produktion reif für die Massenproduktion sein, prognostizieren die IKTS-Forscher.

Noch sind die Salzbatterien allerdings nicht aus den Laboren der deutschen Entwickler herausgekommen. Lange dauern wird es aber nicht mehr. Die Akkuchemie und der Aufbau unserer Antriebsbatterien bleiben definitiv ein spannendes Thema für uns Auto-Nerds.

Das spricht für oder gegen die verschiedenen Akkutypen